12.3 Análisis vegetal

12.3.1 General

12.3.2 Relación entre la tasa de crecimiento y el contenido de nutrientes minerales

12.3.3 Etapa de desarrollo vegetal y edad foliar

12.3.4 Especie vegetal

12.3.5 Interacciones y relaciones de nutrientes

12.3.6 Factores ambientales

12.3.7 Eficiencia en nutrientes

12.3.8 Análisis total versus extracción fraccionada

12.3.1 General

El uso del análisis químico del material vegetal para propósitos de diagnóstico está basado en la suposición de que existen relaciones causales entre la tasa de crecimiento vegetal y el contenido de nutrientes en la materia seca ó fresca caulinar, ó con la concentración de nutrientes en la savia tisular exprimida. La composición de elementos minerales en los tejidos vegetal es usualmente expresada como contenido por unidad de peso seco ó fresco (e.g., mg g^-1 peso seco). Aunque el término concentración que es usado frecuentemente de manera sinónima, se refiere en sentido estricto a un volumen (e.g., mg l^-1). Dependiendo del nutriente mineral, especie y edad vegetal, difiere la parte ú órgano vegetal más conveniente para este propósito, así como si sí ó no debe determinarse el contenido total ó solo una cierta fracción del nutriente mineral (e.g., extractable con agua). En general el estado nutricional de una planta se refleja mejor en el contenido de elementos minerales de las hojas que en otros órganos vegetales. De este modo las hojas son usualmente usadas para el análisis vegetal. Para algunas especies y para ciertos nutrientes minerales, los contenidos de nutrientes en la materia seca pueden diferir considerablemente entre las laminas foliares y los pecíolos, y algunas veces los pecíolos son un indicador más adecuado del estado nutricional. En árboles frutales el análisis de los mismos frutos es el mejor indicador, especialmente para calcio y boro en relación a la calidad del fruto y propiedades de almacenamiento. Bajo ciertas condiciones climáticas, en particular estrés por sequía durante el llenado de la semilla, el contenido de zinc en las semillas de leguminosas parece ser un parámetro más sensible al suministro de fertilizante de zinc que, por ejemplo, el análisis foliar.

Las muestras a partir de plantas cultivadas en campo se contaminan frecuentemente por el polvo ó aspersiones y requieren procedimientos de lavado. Los problemas más severos en el uso del análisis vegetal para propósitos de diagnóstico son las frecuentes fluctuaciones a corto plazo en los contenidos de nutrientes (e.g., “efecto dilución” por el rápido crecimiento). Es particularmente difícil establecer contenidos de nutrientes minerales que se consideren que reflejen un rango de deficiencia, suficiencia, ó toxicidad en relación a los efectos de factores ambientales así como al genotipo vegetal y a la etapa de desarrollo de plantas y hojas. Por ejemplo, el porcentaje de materia seca usualmente se incrementa con la edad de plantas ú órganos, ó a elevadas concentraciones de CO₂ debido a la acumulación de almidón con una correspondiente declinación en las concentraciones críticas de deficiencia de los nutrientes minerales. A elevadas concentraciones de CO₂ los menores contenidos foliares críticos de nitrógeno en las hojas de especies C₃ están también relacionados con menor Rubisco, mientras que los contenidos foliares críticos de fósforo tienden a ser mayores por razones que no son claras. Son de crucial importancia por lo tanto la estricta estandarización del procedimiento de muestreo y la disponibilidad de datos referencia adecuados para el análisis foliar. El uso de relaciones de nutrientes en vez de contenidos es otra aproximación para tratar esta dificultad (Sección 12.3.4). Para revisiones más recientes sobre el análisis vegetal para propósitos de diagnóstico el lector es referido a Reuter & Robinson (1986); Martin-Prével et al. (1987); Bergmann (1988, 1992); Walworth & Summer (1988); Jones (1991) y Heinze & Fiedler (1992).

12.3.2 Relación entre la tasa de crecimiento y el contenido de nutrientes minerales

Se muestra en la Fig. 12.2 para manganeso un ejemplo representativo de las relaciones entre el crecimiento vegetal y los contenidos de nutrientes minerales en el vástago. Ambos bajo condiciones ambientales controladas y bajo condiciones de campo el contenido crítico de deficiencia (definido también como “nivel”) del manganeso en el peso seco lamina foliar emergida más joven estuvo en el rango de 12 µg g^-1 materia seca, si se usa el 95% del máximo peso seco caulinar (ó rendimiento) como punto de referencia. Debe tenerse en mente que los contenidos críticos de deficiencia (CDC) por ejemplo de la lamina foliar emergida más joven no es necesariamente idéntico al CDC en los sitios de nuevo crecimiento, en el meristemo caulinar donde el CDC puede ser mucho mayor como se ha mostrado para zinc en plantas de arroz (Sección 9.4. 10).

Fig. 12.2 Relación entre el contenido de manganeso en laminas foliares emergidas más jóvenes y el peso seco caulinar en cebada cultivada en una cámara de crecimiento (A)  y bajo condiciones de campo (B). (A partir de Hanaam et al., 1987)

Usualmente, se toma como un punto de referencia una cifra del 90% del máximo rendimiento materia seca a fin de definir el CDC de un nutriente mineral. En un sistema de baja entrada el punto de referencia es solo el 80% del máximo rendimiento materia seca, los CDCs son correspondientemente inferiores en la materia seca caulinar, por ejemplo para fósforo en maíz y caupí. En las comparaciones de datos en literatura sobre el CDC, son frecuentemente pasadas por alto las diferencias en el punto de referencia

El método empleado para determinar el CDC es también importante y contribuye en diferentes valores, como se ha demostrado para magnesio en trébol subterráneo, donde los valores del CDC para las plantas proporcionadas permanentemente con un bajo suministro han sido comparados con los de plantas donde se interrumpió súbitamente un alto suministro. Es improbable que el último procedimiento refleje la situación bajo condiciones de campo. La interrupción súbita del suministro de nutrientes conduce a CDCs inusualmente altos para varios nutrientes, ya que las plantas en rápido crecimiento se hacen de repente totalmente dependientes de la removilización y retranslocación de los nutrientes minerales.

En vista de los varios factores discutidos arriba, y también en las siguientes secciones, puede parecer más apropiado y realista el uso de un “rango” de valores (e.g., rango crítico de deficiencia) que el de un solo valor (e.g., 12 µg g^-1). Por lo menos debe tenerse en mente que el uso de un solo valor abarca un rango de contenidos y que la probabilidad de deficiencia ó suficiencia se incrementa, con el grado de desviación de este único valor. Se muestra en la Fig. 12.3 en una presentación esquemática el patrón general de relaciones entre el crecimiento vegetal y los contenidos de nutrientes minerales en el tejido vegetal. Hay un porción ascendente de la curva donde el crecimiento cualquiera se incrementa abruptamente sin un marcado incremento en el contenido de nutrientes (I y II) ó donde el incremento en crecimiento y contenido de nutrientes minerales están estrechamente relacionados (III). Esto es seguido por una porción más ó menos plana donde el crecimiento no está limitado por los nutrientes y se incrementa marcadamente el contenido de nutrientes (IV y V) y, finalmente, una porción donde el contenido excesivo de nutrientes causa toxicidad y una correspondiente declinación en el crecimiento (VI).

Fig. 12.3 Relación entre el contenido de nutrientes (e.g., mg g^-1 materia seca) y el crecimiento ó rendimiento (arriba) y ejemplos del contenido de nutrientes en materia seca foliar de soya para varios rangos de nutrientes suplidos (abajo).

Generalmente, con una deficiencia extrema de cobre ó zinc, por ejemplo, se obtiene una curva respuesta con forma de C (Fig. 12.3, región I, línea punteada) en la que un incremento en la tasa de crecimiento inducido por el nutriente es acompañado por una disminución en su contenido en la materia seca, lo que frecuentemente se referido como el efecto “Piper-Steenbjerg”. Las posibles explicaciones para este tipo de respuesta son una falta de removilización desde las hojas viejas y el tallo ó el necrosamiento de los meristemos apicales con un correspondiente cese del crecimiento a pesar de la mayor toma de peque|iente mineral por las plantas extremadamente deficientes. 

Los efectos concentración y dilución de los nutrientes minerales en las plantas son fenómenos comunes que deben considerarse cuidadosamente al interpretar los contenidos de nutrientes en términos de antagonismo ó sinergismo de iones, ó de ambos durante la toma. Esto es cierto en particular cuando el contenido de nutrientes minerales esta en el rango de deficiencia ó toxicidad. Si, por ejemplo, los contenidos de los dos nutrientes minerales están en el rango de deficiencia y solo es suplido uno de ellos, el realce del crecimiento causa una “dilución” del otro nutriente mineral (una disminución en su contenido en la materia seca) y se induce una severa deficiencia sin presentarse ninguna competencia en la toma ó dentro de la planta.

Central para el uso del análisis vegetal para propósitos de diagnóstico son los contenidos críticos de deficiencia y toxicidad (Fig. 12.3). El crecimiento es máximo entre los contenidos críticos de deficiencia y toxicidad, pero por razones prácticas se elige como punto de referencia el 90-95% del valor de crecimiento máximo en vez del mismo valor máximo. Los contenidos de nutrientes minerales pueden ser agrupados en rangos, como se muestra en la porción inferior de la Fig. 12.3 para soya. Si  los contenidos de nutrientes están en el rango adecuado hay una alta probabilidad estadística de que estos nutrientes no sean factores limitantes del crecimiento. Ciertamente, los contenidos en el rango de lujo ulteriormente disminuyen el riesgo de que estos nutrientes se vuelvan deficientes bajo condiciones desfavorables para la toma radical (e.g., suelo superficial seco) ó cuando la demanda sea muy alta (e.g., retranslocación a los frutos). Sin embargo, hay un mayor riesgo de reducción del crecimiento por la toxicidad directa por estos nutrientes ó por su efecto al inducir deficiencia en otros nutrientes, i.e., desbalance de nutrientes (Sección 12.3.5). Al definir los contenidos críticos de toxicidad tiene que considerarse la heterogénea distribución de un nutriente dentro de un órgano vegetal, por ejemplo, del boro en las laminas foliares (Sección 9.7.9).

12.3.3 Etapa de desarrollo vegetal y edad foliar

Después del suministro del nutriente mineral, la edad fisiológica vegetal ó de sus partes es el factor más importante que afecta el contenido de nutrientes  minerales en la materia seca vegetal. Con excepción del calcio y algunas veces del hierro y del boro (Sección 9.7) hay usualmente una declinación bastante clara en el contenido de nutrientes minerales en la materia seca como envejezca la planta y el órgano. Esta declinación es causada principalmente por un incremento relativo en la proporción del material estructural (paredes celulares y lignina) y de compuestos de almacenamiento (e.g., almidón) en la materia seca. Los contenidos de nutrientes minerales que corresponden al rango adecuado ó critico de deficiencia son por lo tanto menores en plantas viejas que en jóvenes. Por ejemplo, en grano de sorgo el CDC del fósforo en la materia seca foliar ha mostrado disminuirse desde cerca de 0.4% a 0.2% a lo largo del periodo de crecimiento. En cebada cultivada en campo el contenido de potasio en la materia seca caulinar disminuyó desde 5-6% en plantas jóvenes a cerca del 1% llegando a la maduración, aunque las plantas estuvieron bien suplidas con potasio.  En este caso la declinación en el contenido fue exclusivamente un “efecto dilución” ya que la concentración de potasio en el agua tisular (representativa principalmente de la savia vacuolar) permaneció bastante constante a ~100 mм a lo largo del periodo.

Las complicaciones que surgen a partir de los cambios en el contenido crítico de deficiencia con la edad pueden ser reducidas al muestrear tejidos a edades fisiológicas específicas. Por ejemplo, como se muestra en la Tabla 12.2, en trébol el nivel crítico de deficiencia de cobre en toda la parte aérea vegetal disminuyó drásticamente con la edad pero permaneció bastante constante a ~3 μg en las laminas foliares más jóvenes durante todo el periodo.

El uso de las hojas más jóvenes, sin embargo, solo es adecuado para aquellos nutrientes minerales que cualquiera no son retranslocados ó son retranslocados solo a un muy limitado grado desde las hojas maduras a las nuevas áreas de crecimiento, esto es, cuando se presenta primero la deficiencia en las hojas jóvenes y en el ápice caulinar (Tabla 12.1). La situación es diferente para potasio, nitrógeno, y magnesio; ya que los contenidos de estos nutrientes minerales se mantienen bastante constantes en las hojas expandidas más jóvenes, las hojas maduras son mucho mejores indicadores del estado nutricional vegetal, como se muestra para potasio en la Fig. 12.4. Aquí, la hoja más joven no es un indicador adecuado debido a que los niveles de potasio que indican deficiencia y toxicidad varían solo entre 3.0 y 3.5%, respectivamente, comparando con 1.5 y 5.5% en hojas maduras. Esto ilustra la necesidad de usar hojas maduras para evaluar el estado nutricional de los nutrientes minerales que son rápidamente retranslocados en las plantas.

Fig. 12.4 Relación entre el peso seco caulinar y el contenido de potasio en hojas maduras y más jóvenes de plantas de tomate cultivadas en soluciones nutritivas con varias concentraciones de potasio. Recuadro: contenidos críticos calculados.

Si las hojas jóvenes y viejas de la misma planta son analizadas separadamente, puede obtenerse información adicional sobre el estado nutricional de aquellos nutrientes minerales que son retranslocados rápidamente. A mucho mayor contenido de, por decir, de potasio en las hojas maduras indica consumo de lujo ó aún toxicidad. El gradiente inverso, por otro lado, es un indicador de la etapa de transición entre los rangos adecuado y deficiente; si el gradiente es abrupto, puede existir una latente ó aún una aguda deficiencia. El uso de gradientes es particularmente útil bajo condiciones en que se carece de datos referencia relevantes sobre los contenidos críticos (e.g., para una especie ó cultivar) ó bajo ciertas condiciones ecológicas. Si se sospecha de toxicidad, las hojas viejas son los órganos más adecuados para el análisis vegetal.

Cuando se elige un órgano vegetal dado tal como el más recientemente desarrollado, como para análisis de la hoja completamente expandida, debe tenerse en cuenta que el valor CDC declinara a lo largo del desarrollo vegetal, aún cuando se exprese como una concentración en la savia vegetal. Para potasio, por ejemplo, en soya este valor cae entre el cuajado de la vaina y el llenado de la vaina desde 65 mм a 29 mм. Esta declinación a lo largo del desarrollo vegetal es particularmente evidente para el nitrato que actúa como una forma de almacenamiento del nitrógeno en las hojas y como un indicador del estado nutricional del nitrógeno vegetal (Sección 12.3.7). En los pecíolos de las hojas de papa el CDC del N-NO₃ disminuye desde 2.7-3% en materia seca al inicio de la tuberización a 1.0-1.6% en las etapas finales y en la arteria central del coliflor desde 1.1% en la etapa 4-6 hoja a 0.15% en la precosecha. Una declinación similar sigue cierta para el sulfato como la principal forma de almacenamiento de azufre en las plantas.

Puede suceder por varias razones esta declinación del CDC con la edad para un órgano dado. Por ejemplo, como la planta se haga más vieja hay una disminución en la demanda por nutrientes para el nuevo crecimiento. También el suministro de nutrientes desde las raíces puede incrementarse pero es menos probable en la mayoría de condiciones de campo en vista de la declinante actividad radical. La declinación en el CDC parece ser la consecuencia del incremento en la biomasa total caulinar y, de este modo, de la capacidad de almacenamiento de los nutrientes minerales en los vástagos, como se ilustró en un ejemplo para el maíz en la Tabla 12.3. Entre la etapa 4-5 hoja y la emisión de la panícula declinan durante el desarrollo vegetal ambas las concentraciones críticas de deficiencia del N-nitrato en la savia exprimida y las concentraciones consideradas como adecuadas (Fig. 12.3). Sin embargo, como el incremento de la biomasa aérea total es más que lineal, una concentración dada de N-nitrato por litro de savia exprimida (ó por unidad materia seca) representa una creciente cantidad de nitrógeno almacenado que puede actuar como buffer interno y mantener tasas similares de crecimiento por varios días cuando declina el suministro desde el suelo. Puede identificarse en col de bruselas al usar un modelo que tenga en cuenta los cambios en las tasas de crecimiento y la biomasa como parámetros para la demanda interna, una sola concentración crítica de savia foliar de 380 mg N-NO₃ l^-1 para todas las etapas de crecimiento y también para varios periodos de crecimiento.

Comparando con los cambios en el contenido de nutrientes minerales de especies anuales, son relativamente pequeñas las fluctuaciones del contenido de nutrientes minerales de hojas y acículas de árboles en todo el periodo de crecimiento debido a la capacidad buffer de las ramas y tronco. En árboles perennes el análisis simultáneo de las hojas y acículas que difieren en edad (Tabla 12.4) puede proporcionar información adicional sobre el estado nutricional del árbol. Con la creciente edad de las acículas, disminuye el contenido de de todos los macronutrientes, excepto el del calcio (Tabla 12.4). En pícea de Noruega, el contenido de silicio también se incrementa con la edad de la acícula. La disminución con la edad de nitrógeno, fósforo, potasio y magnesio (Tabla 12.4) puede en parte indicar retranslocación, pero es presumiblemente causada por un efecto dilución, que resulta de la incrementada lignificación de las acículas viejas. Solo con calcio (y silicio) la dilución es compensada excesivamente por su continuo influjo hacia las acículas viejas. Con excepción del magnesio, los datos de la Tabla 12.4 son indicativos de árboles bien suplidos con estos macronutrientes.

12.3.4 Especie vegetal

Los contenidos críticos de deficiencia difieren entre la especie vegetal aún cuando se hacen comparaciones para los mismos órganos en la misma edad fisiológica. También es cierto para el rango adecuado. Estas variaciones están principalmente basadas en las diferencias en el metabolismo vegetal y en la constitución vegetal, como por ejemplo, las diferencias en la demanda genotípica de calcio y boro en las paredes celulares. Cuando se cultivan bajo las mismas condiciones el CDC del boro en la materia seca de la hoja más joven completamente expendida es de 3 µg g^-1 en trigo, 5 µg g^-1 en arroz, pero tan alto como 35 µg g^-1 en soya y 34 µg g^-1 en girasol. Las especies vegetales nativas de hábitats ricos en nutrientes parecen tener superiores concentraciones críticas de deficiencia del potasio en los vástagos (~100 mм) que las especies de hábitats pobres en nutrientes (~50 mм). Son dados en la Tabla 12.5 datos representativos de los rangos adecuados de nutrientes en especies seleccionadas. Puede encontrarse datos más extensivos y detallados, incluyendo contenidos de deficiencia y toxicidad en Chapman (1966); Jones (1967; 1991), Bergmann & Neubert (1976) y Drechsel & Zech (1991).

Como se muestra en la Tabla 12.5 los contenidos de macronutrientes en el rango adecuado son de ordenes similares de magnitud para las varias especies vegetales; una excepción es el calcio, el contenido del cual es sustancialmente inferior en monocotiledóneas. En todas las especies el rango adecuado es relativamente estrecho para el nitrógeno, debido a que los contenidos de lujo del nitrógeno tienen efectos desfavorables sobre el crecimiento y composición vegetal (Sección 8.2.5). En hojas de manzano, por ejemplo, un contenido de nitrógeno de más del 2.4% frecuentemente afecta desfavorablemente al color y almacenamiento del fruto. Por otro lado, el rango adecuado para el magnesio es usualmente más amplio, pero principalmente por los efectos de competencia con el potasio; con altos contenidos de potasio, también se requieren altos contenidos de magnesio para asegurar un adecuado estado nutricional del magnesio.